基于GIS的湖南省植物園生態(tài)敏感性分析

彭琳玉，胡希軍

(中南林業(yè)科技大學(xué) 風(fēng)景園林學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

1 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和人類活動(dòng)的加劇，自然資源不斷遭到高強(qiáng)度的開采和利用，城鎮(zhèn)空間不斷擴(kuò)張，對(duì)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展造成了嚴(yán)重威脅[1]。近年來(lái)，生態(tài)環(huán)境問(wèn)題備受關(guān)注，生態(tài)保護(hù)也被提到了前所未有的高度，貫徹和落實(shí)生態(tài)文明建設(shè)是當(dāng)前的重要任務(wù)[2]。生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)能夠科學(xué)地從環(huán)境問(wèn)題的發(fā)生機(jī)制評(píng)估區(qū)域的生態(tài)環(huán)境情況，是實(shí)現(xiàn)生態(tài)資源管控保護(hù)與合理生態(tài)規(guī)劃的重要途徑[3，4]。

生態(tài)敏感性即生態(tài)系統(tǒng)在人類活動(dòng)干擾和自然環(huán)境變化影響下的敏感程度，反映了該區(qū)域發(fā)生生態(tài)問(wèn)題的可能性、難易程度以及自我恢復(fù)的能力[5，6]。隨著ArcGIS技術(shù)發(fā)展的逐步成熟，區(qū)域生態(tài)敏感性分析可通過(guò)ArcGIS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的定量化與可視化，使得結(jié)果更為科學(xué)直觀，這也為協(xié)調(diào)區(qū)域規(guī)劃開發(fā)和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)提供了科學(xué)依據(jù)，能夠在未來(lái)發(fā)展中有效緩解人類，社會(huì)，生態(tài)環(huán)境之間的矛盾。

目前國(guó)內(nèi)外生態(tài)敏感性相關(guān)的研究成果較多。國(guó)外學(xué)者M(jìn)charg最早開創(chuàng)了生態(tài)敏感性研究，通過(guò)適宜性評(píng)價(jià)和疊加圖層的方法確定用地選址[7]。國(guó)內(nèi)學(xué)者歐陽(yáng)志云[8]、林涓涓[9]等分別首次提出了生態(tài)敏感性和流域生態(tài)敏感性的概念，為國(guó)內(nèi)生態(tài)敏感性研究奠定了基礎(chǔ)。在研究尺度上，生態(tài)敏感性研究多集中于省[10]、市[11]、流域[12]、自然風(fēng)景區(qū)[13]等研究尺度，而針對(duì)小尺度區(qū)域的生態(tài)敏感性研究相對(duì)較少。本文以湖南省植物園為研究對(duì)象，構(gòu)建合理的評(píng)價(jià)體系，運(yùn)用ArcGIS技術(shù)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行生態(tài)敏感性分析，并探討土地利用變化對(duì)生態(tài)敏感性的影響，提出相關(guān)建議。

2 研究區(qū)概況

湖南省植物園位于湖南省長(zhǎng)沙市雨花區(qū)洞井鎮(zhèn)，地處雨花區(qū)交通樞紐核心地帶，隸屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫17.2 ℃，降水集中在3～5月，年均降水量為1361.6 mm。湖南省植物園地表發(fā)育的土壤多為沙土，山脊多不相連，山勢(shì)較陡峭，東側(cè)和東南側(cè)為紅巖丘崗，東北側(cè)為花崗巖低山丘陵地帶。地理坐標(biāo)為113°0′52″～113°2′13″E、28°5′59″～28°6′49″N，占地總面積約為140 hm2。

3 研究方法

3.1 數(shù)據(jù)處理

文中所用到的數(shù)據(jù)包括湖南省植物園矢量邊界；1∶10000湖南省植物園CAD地形圖；2009、2013和2017年湖南省植物園三期遙感影像圖；12.5 m的DEM數(shù)據(jù)，以及實(shí)地調(diào)研的數(shù)據(jù)資料等。結(jié)合衛(wèi)星遙感影像圖和實(shí)地調(diào)研材料在CAD中分別提取出2009、2013和2017年湖南省植物園道路，建筑，水體、綠地等用地類型，分別導(dǎo)入ArcGIS制作三期的土地利用分類圖，同時(shí)通過(guò)ArcGIS中的空間處理模塊生成研究區(qū)的高程，坡度，坡向分布圖(如圖1、圖2、圖3所示)，構(gòu)建生態(tài)敏感性分析數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖1 湖南省植物園高程分布

圖2 湖南省植物園坡度分布

圖3 湖南省植物園坡向分布

3.2 評(píng)價(jià)因子的選擇與分級(jí)

確定評(píng)價(jià)因子是進(jìn)行生態(tài)敏感性分析關(guān)鍵的一步，選擇不同的評(píng)價(jià)因子會(huì)直接影響到最終的分析結(jié)果。張廣創(chuàng)[14]選取了高程、坡度、坡向、積溫、降水、植被覆蓋度、水域緩沖區(qū)、土地覆被類型、土壤類型9個(gè)指標(biāo)對(duì)錫爾河中游生態(tài)敏感性進(jìn)行了分析。王浩程[15]等選取了高程、坡度、水域、土地利用類型和道路交通等5個(gè)因子，結(jié)合層次分析法和加權(quán)疊加法對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行了綜合生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)。劉瀾[16]等基于地形地貌、坡度、坡向、土地利用類型、交通通達(dá)度、地質(zhì)災(zāi)害和水域距離等7個(gè)評(píng)價(jià)因子，對(duì)太湖東村自然景觀生態(tài)敏感性進(jìn)行了評(píng)估。

基于評(píng)價(jià)因子的代表性、數(shù)據(jù)的可獲取性與可操作性等原則，通過(guò)咨詢相關(guān)專家，選取了高程、坡度、坡向、水體緩沖區(qū)、道路緩沖區(qū)5個(gè)因子評(píng)估湖南省植物園生態(tài)敏感性。運(yùn)用ArcGIS量化原始數(shù)據(jù)，按照各評(píng)價(jià)因子敏感程度的高低分為低敏感區(qū)、較低敏感區(qū)、中敏感區(qū)、較高敏感區(qū)和高敏感區(qū)5個(gè)等級(jí)，并且依次賦予評(píng)價(jià)值1、2、3、4、5(表1)。

表1 生態(tài)敏感性單因子等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

評(píng)價(jià)因子選取說(shuō)明如下：

3.2.1 高程

高程對(duì)植物生境的影響主要在于不同的高程的植物接受的陽(yáng)光、土層土壤、雨水徑流等都不一樣。海拔較高的地方氣溫變化大，溫度較低，不利于有積溫要求的植物生長(zhǎng)。根據(jù)調(diào)查研究，隨著海拔的逐漸升高，環(huán)境溫度也隨之降低，海拔每上升10 m，環(huán)境溫度就會(huì)下降0.6 ℃，因此植物的分布會(huì)隨著高程的變化呈現(xiàn)出明顯的垂直分布特點(diǎn)，生態(tài)系統(tǒng)也會(huì)呈現(xiàn)出垂直特征，并隨著海拔的升高變得更加脆弱。

3.2.2 坡度

坡度越大的地方，雨水徑流一般較大，越容易造成土壤的侵蝕和滑坡，生態(tài)系統(tǒng)的抗干擾能力越差，因此這些區(qū)域的生態(tài)敏感性更強(qiáng)。

3.2.3 坡向

坡向在很大程度上影響了植被接受太陽(yáng)光照的時(shí)長(zhǎng)，也導(dǎo)致了不同坡向的溫度差異。從北半球的光照規(guī)律來(lái)看，南坡所接受的日照顯然要比北坡充分，土壤水分蒸發(fā)也較快易造成植物缺水，不利于植被的生長(zhǎng)，因此北坡生物多樣性較高，生態(tài)敏感性也較高。

3.2.4 水體緩沖區(qū)

水源不僅為其周邊的動(dòng)植物提供了必要的生存條件，還能潛移默化地調(diào)節(jié)片區(qū)的環(huán)境小氣候，有益于維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)。同時(shí)水域生態(tài)環(huán)境也較為脆弱，容易受到人為活動(dòng)的干擾。湖南省植物園內(nèi)存在櫻花湖等多個(gè)水體區(qū)域，可根據(jù)到水體的遠(yuǎn)近距離依次劃分敏感度級(jí)別。

3.2.5 道路緩沖區(qū)

緩沖區(qū)分析是探究人類活動(dòng)干擾下生態(tài)環(huán)境變化問(wèn)題的重要途徑之一，緩沖帶是沒(méi)有加入道路本身寬度的單側(cè)寬度范圍。在GIS的支撐下，構(gòu)建道路緩沖帶，并統(tǒng)計(jì)各敏感性等級(jí)緩沖帶的面積。

3.3 緩沖區(qū)分析

緩沖區(qū)分析是以點(diǎn)、線、面等作為空間對(duì)象，在其周圍自動(dòng)建立一定寬度范圍的緩沖區(qū)多邊形圖層，是用來(lái)解決鄰近度問(wèn)題的空間分析工具之一。本文中通過(guò)緩沖區(qū)分析得到水體緩沖區(qū)與道路緩沖區(qū)單因子生態(tài)敏感性分析圖。

3.4 權(quán)重的確定

根據(jù)分析因子在敏感性中的重要性不同，通過(guò)專家打分建立生態(tài)敏感性判斷矩陣，以兩兩比較的方式計(jì)算得出敏感性因子的權(quán)重如表2所示。

表2 權(quán)重分布

3.5 ArcGIS加權(quán)疊加分析

加權(quán)疊加是ArcGIS中常用的空間分析工具，目前已廣泛運(yùn)用于選址適宜性分析、生態(tài)敏感性分析等多種研究領(lǐng)域。根據(jù)前文計(jì)算出的評(píng)價(jià)因子權(quán)重，將各單因子生態(tài)敏感性分布數(shù)據(jù)在ArcGIS中進(jìn)行疊加整合，根據(jù)評(píng)價(jià)等級(jí)的劃分對(duì)得疊加的結(jié)果進(jìn)行重分類并賦予評(píng)價(jià)值，最終得到綜合性圖層。

4 結(jié)果與分析

4.1 單因子生態(tài)敏感性分析

4.1.1 高程因子生態(tài)敏感性分析

由圖1所知，研究區(qū)域最低海拔為48.23 m，最高海拔為105.20 m，根據(jù)最低海拔與最高海拔的高差，將高程分為5等級(jí)，形成高程因子敏感性分析圖(如圖4a所示)。由分析結(jié)果可知，48～65 m(低敏感區(qū))，面積為5.74 hm2，占比4.1%；65～76 m(較低敏感區(qū))，面積為24.36 hm2，占比17.4%；76～85 m(中敏感區(qū))，面積35.84 hm2，占比25.6%；85～93 m(較高敏感區(qū))，面積為40.18 hm2，占比28.7%；93～106 m(高敏感區(qū))，面積為33.88 hm2，占比24.2%。由高中低三個(gè)層次敏感區(qū)面積占比可知，植物園內(nèi)地形起伏不平，高程因子在一定程度上影響著研究區(qū)的生態(tài)敏感性。全園以高敏感區(qū)和較高敏感區(qū)為主，大片分布于研究區(qū)的中西部和中東部，北部片區(qū)也有零散分布。

4.1.2 坡度因子生態(tài)敏感性分析

坡度劃分為了0°～5°(低敏感區(qū))，5°～15°(較低敏感區(qū))，15°～25°(中敏感區(qū))，25°～35°(較高敏感區(qū)A)以及35°～45°(高敏感區(qū))五個(gè)級(jí)別，得到坡度因子生態(tài)敏感性如圖4b所示。由分析結(jié)果可知，低敏感區(qū)和較低敏感區(qū)所占面積分別為26.74 hm2和35.98 hm2，占比分別為19.1%和25.7%，主要集中分布于研究區(qū)中北部，部分零散分布于東、西部。中敏感區(qū)為37.38 hm2，占26.7%，主要零散分布在研究區(qū)邊緣地帶。較高敏感區(qū)和高敏感區(qū)所分布的面積較少，分別為27.58 hm2、12.32 hm2，共占比28.5%，集中分布在植物園南部邊緣地帶。植物園中坡度因子主要以低敏感和較低敏感區(qū)為主，對(duì)于外界的干擾具有一定的抵抗力，因此可進(jìn)行適當(dāng)?shù)拈_發(fā)建設(shè)，增設(shè)園內(nèi)服務(wù)設(shè)施。

4.1.3 坡向因子生態(tài)敏感性分析

按照北半球每個(gè)坡面受到光照的長(zhǎng)短以及被陰影覆蓋的時(shí)間長(zhǎng)短，劃分5個(gè)級(jí)別后得到坡向生態(tài)敏感性分析圖如圖4c所示。其中，高敏感區(qū)分布面積最多為36.54 hm2，占比26.1%。較高敏感區(qū)和中敏感區(qū)面積分別為26.18 hm2和24.08 hm2，分別占18.7%、17.2%。較低敏感區(qū)和低敏感區(qū)分別為31.22 hm2、21.98 hm2，分別占22.3%和15.7%，除高敏感區(qū)分布面積較大以外，其他級(jí)別的區(qū)域分布相對(duì)較為均勻，不同坡向?qū)τ谏鷳B(tài)敏感程度存在一定影響。

4.1.4 水體緩沖區(qū)生態(tài)敏感性分析

水體的生態(tài)脆弱性較高，容易受周圍環(huán)境的影響，根據(jù)湖南省植物園水體的質(zhì)量以及其面積的大小，將水體緩沖區(qū)分為距離水體350 m以上(低敏感區(qū))、200～350 m(較低敏感區(qū))、100～200 m(中敏感區(qū))、50～100 m(較高敏感區(qū))、距離水體50 m以內(nèi)(高敏感區(qū))，共5個(gè)緩沖區(qū)(圖4d)。其中中敏感區(qū)分布面積最多為45.08 hm2，占比32.2%，較高敏感區(qū)和高敏感區(qū)同樣也占有較大比重，面積分別是31.08 hm2和23.94 hm2，分別占22.2%、17.1%。低敏感區(qū)和較低敏感區(qū)面積為18.9 hm2、21 hm2，分別占13.5%、15%，主要分布于植物園的東、西邊緣區(qū)域及北部邊緣區(qū)域，與周邊交通要道及居民區(qū)臨近，受到的人為干擾較頻繁，因此生態(tài)敏感程度反而較低。

4.1.5 道路緩沖區(qū)生態(tài)敏感性分析

湖南省植物園主要以小型游路為主，將道路緩沖區(qū)劃分為20 m以內(nèi)(低敏感區(qū))，20～60 m(較低敏感區(qū))，60～140 m(中敏感區(qū))，140～300 m(較高敏感區(qū))及300 m以上(高敏感區(qū))五個(gè)等級(jí)(如圖4e所示)。道路緩沖帶中低敏感區(qū)和較低敏感區(qū)面積超過(guò)了總土地面積的一半，分別為45.22 hm2和47.04 hm2，共占比65.9%。中敏感區(qū)為30.66 hm2，占21.9%。較高敏感區(qū)為15.4 hm2，占11%。面積最小的為高敏感區(qū)，1.68 hm2，僅占1.2%。由分析結(jié)果可知，高敏感區(qū)及較高敏感區(qū)面積遠(yuǎn)小于低敏感區(qū)域和較低敏感區(qū)之和，說(shuō)明道路的開發(fā)建設(shè)破壞了周邊原有的生態(tài)環(huán)境，導(dǎo)致周邊生態(tài)敏感性的降低。

圖4 單因子生態(tài)敏感性分析

4.2 湖南省植物園綜合生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)分析

通過(guò)ArcGIS將所有評(píng)價(jià)因子進(jìn)行加權(quán)疊加，并將疊加結(jié)果劃分為5個(gè)等級(jí)，經(jīng)重分類后得到綜合生態(tài)敏感性圖層(如圖5所示)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析可知，研究區(qū)域內(nèi)低敏感區(qū)面積占7.2%、較低敏感區(qū)面積占23.6%、中敏感區(qū)面積占43.8%、較高敏感區(qū)面積占20.3%、高敏感區(qū)面積占5.1%。根據(jù)研究結(jié)果可知，中敏感區(qū)面積分布范圍最廣，中敏感區(qū)及以下的面積綜合遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于較高敏感和高敏感區(qū)，由此可見，植物園中發(fā)揮著重要生態(tài)作用的區(qū)域面積處于較低水平，而具備一定生態(tài)功能的中敏感區(qū)也不斷受到外界活動(dòng)的干擾，存在生態(tài)敏感度下降的趨勢(shì)，不利于植物園生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與發(fā)展。

由圖5可知，湖南省植物園內(nèi)的低敏感區(qū)及較低敏感區(qū)主要分布在植物園中北部，東南部紅線邊緣及西部邊緣也少有分布，均為地勢(shì)較低且坡度平緩的區(qū)域，這些區(qū)域建筑與道路的密度相對(duì)較高，受人類活動(dòng)的影響也最大，區(qū)域內(nèi)植被抗干擾能力也較強(qiáng)，是園內(nèi)較為適合建設(shè)服務(wù)設(shè)施，或開展戶外活動(dòng)的區(qū)域。

圖5 湖南省植物園生態(tài)敏感性綜合評(píng)價(jià)分析

中敏感區(qū)主要分布于植物園東部和南部，大多都為坡度較緩和的區(qū)域，區(qū)域中的植被比較豐富，生態(tài)環(huán)境與自然景觀資源較好，同時(shí)也具備一定的抗干擾能力，但過(guò)多的人為活動(dòng)依然會(huì)影響到其生態(tài)平衡，在對(duì)此區(qū)域的建設(shè)開發(fā)中應(yīng)考慮可行性和生態(tài)維護(hù)管理。

較高敏感區(qū)以及高敏感區(qū)大多為生態(tài)價(jià)值高，植被豐富度高，自然資源較為豐厚的區(qū)域，多分布于海拔較高，坡度陡峭的區(qū)域。人為的干擾會(huì)直接破壞其生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)環(huán)境的循環(huán)惡化，造成不可恢復(fù)的損害，因此對(duì)該區(qū)域應(yīng)當(dāng)加大保護(hù)力度，建立完整的管控體制，同時(shí)提高植被覆蓋度和生物多樣性。

4.3 土地利用變化對(duì)生態(tài)敏感性的影響

土地利用類型是反映土地性質(zhì)、用途以及分布規(guī)律的基本地域單位。不同的土地利用類型也反映了不同的人類活動(dòng)方式，以及其對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的影響。本文通對(duì)2009，2013，2017三年的湖南省植物園土地利用數(shù)據(jù)的提取和處理，得到植物園三年土地利用類型分布圖和用地面積變化表格(如圖6、表3所示)。

圖6 湖南省植物園三期土地利用類型分布

(1)由表3可知，2009～2017年間，道路面積從4.48 hm2逐步增加到到5.60 hm2，表明了植物園為便于游客休憩游玩建設(shè)了更多的園路，人為活動(dòng)的增多，使得園內(nèi)高生態(tài)敏感區(qū)域和低敏感區(qū)域不斷發(fā)生置換，將導(dǎo)致園內(nèi)道路緩沖區(qū)低敏感或較低敏感區(qū)域的增多，中敏感以及中敏感以上的區(qū)域減少，由此可知園路的修建在一定程度上影響著植物園的生態(tài)敏感性區(qū)域的分布。

表3 湖南省植物園三期土地利用面積變化 hm2

(2)園內(nèi)建筑面積也呈逐步增多的趨勢(shì)，面積由1.96 hm2增加到4.06 hm2。由于植物園內(nèi)的生態(tài)環(huán)境良好，選擇來(lái)植物園游玩的人數(shù)也日益增多，使得植物園內(nèi)不斷建設(shè)和完善相應(yīng)的服務(wù)設(shè)施，占用了園內(nèi)部分的自然資源，同時(shí)也帶動(dòng)了周邊居住用地價(jià)值的上漲，建筑數(shù)量增多，人為活動(dòng)更為頻繁，也勢(shì)必生對(duì)園區(qū)生態(tài)環(huán)境造成影響。

(3)水體面積在2013至2017年內(nèi)減少了0.84 hm2，期間植物園內(nèi)的部分水域被開發(fā)為游樂(lè)園，導(dǎo)致了水體及其周圍原有植被遭到破壞，進(jìn)而造成了由高敏感區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)榈兔舾袇^(qū)域的局面。

(4)園內(nèi)的綠地面積數(shù)量呈逐年下降趨勢(shì)，2009～2017年間，綠地面積共減少了2.38 hm2，作為園內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的基本載體，綠地的持續(xù)減少將會(huì)對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)平衡造成威脅。

5 結(jié)論

本文通過(guò)選取高程、坡度、坡向、水體緩沖區(qū)、道路緩沖區(qū)為評(píng)價(jià)因子對(duì)研究區(qū)生態(tài)敏感性進(jìn)行了具體分析，并運(yùn)用ArcGIS技術(shù)，分析了研究區(qū)三期土地利用變化對(duì)生態(tài)敏感性的影響。植物園中低敏感區(qū)和較低敏感區(qū)多分布在園區(qū)的北部、西南部等邊緣地帶和道路緩沖帶。高敏感區(qū)域面積較少，多分布于東、南部片區(qū)及北門片區(qū)。中敏感區(qū)域面積分布最廣。根據(jù)不同敏感性級(jí)別的數(shù)量分布情況，可進(jìn)行分區(qū)管控。在今后的發(fā)展中應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)植物園高敏感區(qū)域保護(hù)和管制，嚴(yán)禁隨意開發(fā)建設(shè)；對(duì)于中敏感區(qū)可適當(dāng)開放，同時(shí)提升中、高敏感區(qū)的生境質(zhì)量，加強(qiáng)管控園區(qū)內(nèi)及其周邊建筑的密度和高度。在保護(hù)好生態(tài)環(huán)境的前提下，可適當(dāng)?shù)貙?duì)群眾開放，以增強(qiáng)群眾的環(huán)境保護(hù)意識(shí)，協(xié)調(diào)園內(nèi)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。